（车辆工程专业论文）纯电动汽车整车控制器开发.pdf

| | i i iiii i ii ii ll l ll i iiii 19 0 7 4 5 9 d e v e l o p m e n to fc o n t r o lu n i tf o rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e b y w a n gm i n w a n g b e ( w u h a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gz h ia n ds e n i o re n g i n e e rb ux i a o y u m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王教目王 日期：乙。ij 年罗月乙。同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密伪。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 卜缈泞 0 1 1 年箩月2 on z o i | 年乡月2 o 日期期 日 日 ，擎f 纯f 乜动汽印整乍控制器开发 摘要 本文以纯电动汽车整车控制器为研究对象，在分析其功能需求的基础上，对 整车控制器的预充电模块、隔离电源模块、泄荷模块、电流电压检测模块、绝缘 电阻检测模块等进行了原理设计与样机研制，研究并制定了高压电回路控制逻辑、 绝缘电阻检测控制逻辑和故障处理逻辑。 论文研究了绝缘电阻检测方法。在参考国家标准和相关文献的基础上，深入 分析了各种绝缘失效情况及产生最大泄露电流的位置，建立高压系统绝缘电阻检 测模型，提出了一种绝缘电阻检测的新方法，通过测量高压系统正负母线对地电 压即可确定当前高压系统对地的绝缘状态。 预充电模块和主接触器控制电机控制器等部件的高压输入，提出高压电回路 控制逻辑，确定了电机控制器高压输入回路的接通与断丌条件。制定了绝缘电阻 检测控制逻辑，通过比较正负母线与地之间电压的差值确定是否发起一次绝缘电 阻检测。制定了故障处理逻辑，提出各种故障下整车控制器的工作模式。 本论文研制的纯电动汽车整车控制器完成了部分功能试验，相关功能和实测 指标均达到设计要求。 关键词：纯电动汽车；整车控制器；绝缘检测 t 程硕 ：学位论文 a b s t r a c t v e h i c l ec o n t r o lu n i to fp u r ee l e c t r i cv e h i c l ew a sc h o s e nt ob et h eo b je c to ft h e s t u d y b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fv e h i c l ec o n t r o lu n i t ，t h i s p a p e rm a i n l ya n a l y z e d t h ep r i n c i p l e sa n dp r o t o t y p ed e v e l o p m e n to fp r e c h a r g e m o d u l e ，i s o l a t e dp o w e rs u p p l ym o d u l e ，d i s c h a r g e m o d u l e ，c u r r e n ta n dv o l t a g e d e t e c t i o nm o d u l e ，a n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o nm o d u l eo fv e h i c l ec o n t r o lu n i t l o o pc o n t r o ll o g i co fh i g hv o l t a g e ，c o n t r o ll o g i co f i n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o na n d f a u l tt r e a t m e n tl o g i cw a ss t u d i e da n dd e v e l o p e d i n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o nm e t h o dw a st h ep a r to ft h ep a p e r b a s eo na c c e s s t on a t i o n a ls t a n d a r d sa n dr e l e v a n ta r t i c l e s ，t h i sa r t i c l ed e e p l ya n a l y z e dt h ev a r i o u s s i t u a t i o no fi n s u l a t i o nf a i l u r ea n dt h el o c a t i o no ft h eg r e a t e s tl e a k a g ec u r r e n ta n d e s t a b l i s h e dah i g h v o l t a g es y s t e mi n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o n m o d e l an e w m e t h o dt or e a l i z ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o nv i ai n s u l a t i o nv o l t a g ed e t e c t i n gw a s p r o p o s e d h i g h v o l t a g ei n p u tc i r c u i to fm o t o rc o n t r o l l e ra n d o t h e rd e v i c e sw a si nc o n t r o lo f p r e - c h a r g em o d u l ea n dm a i nc o n t a c t o r t h es w i t c h e dc o n d i t i o no fh i g h v o l t a g ei n p u t c i r c u i tf o rm o t o rc o n t r o l l e rw a sd e t e r m i n e db yd e v e l o p i n gl o o pc o n t r o ll o g i co fh i g h v o l t a g e c o n t r o ll o g i co fi n s u l a t i o nr e s i s t a n c ed e t e c t i o nw a sd e v e l o p e d ，a n di n s u l a t i o n r e s i s t a n c ed e t e c t i o nw a sl a u n c h e db yc o m p a r i n gt h ev o l t a g eb e t w e e np o s i t i v ea n d n e g a t i v eb u s a n dg r o u n d f a u l t t r e a t m e n tl o g i cw a sd e v e l o p e dt od e t e r m i n et h e w o r k i n go f v e h i c l ec o n t r o lu n i tu n d e re a c hf a u l t c o m m i s s i o n i n go fv e h i c l ec o n t r o lu n i tw a sf i n i s h e di nl a b o r a t o r y f u n c t i o no f e a c hm o d u l ea n dr e l e v a n te x p e r i m e n td a t aa l lm e e tw i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ；v e h i c l ec o n t r o lu n i t ；i n s u l a t i o nd e t e c t i o n i i i 纯f 乜动汽下整下控制器开发 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i l l 目录i v 第l 章绪论l 1 1 纯电动汽车发展现状一l 1 2 纯电动汽车关键技术研究现状2 1 3 研究目的及意义3 1 4 主要研究内容“4 第2 章纯电动汽车整车控制器设计需求分析5 2 1 应用车型一5 2 2 纯电动汽车电气系统基本构成5 2 3 纯电动汽车高压电气控制6 2 4 整车控制器功能分析”7 2 5 本章小结9 第3 章纯电动汽车整车控制器硬件开发1 0 3 1 主控制器及其外围电路一1 0 3 2 隔离电源模块l l 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 2 1 隔离电源模块设计要求1 2 3 2 2 变压器设计及关键部件选型一1 3 3 2 3 方波发生电路”1 4 3 2 4 实验结果一1 5 继电器控制模块一1 5 3 3 1 接触器控制电路设计及选型一1 6 3 3 2 通用继电器控制电路设计1 6 预充电模块1 7 泄荷模块1 8 故障检测模块2 0 电流、电压检测模块2 l 3 7 1 电压检测一2 2 3 7 2 电流检测2 4 仪表驱动模块“2 5 i v t 程硕l ：学位论文 3 9 本章小结2 7 第4 章纯电动汽车绝缘电阻检测2 8 4 1 绝缘电阻检测原理分析2 8 4 1 1 电动汽车绝缘电阻相关标准一2 8 4 1 2 绝缘失效情况3 0 4 1 3 绝缘电阻检测方法3 8 4 2 绝缘电阻检测硬件电路设计及实验4 l 4 3 本章小结4 4 第5 章纯电动汽车整车控制器软件开发4 5 5 1 整车控制器程序模块及主程序流程“4 5 5 2 高压供电回路控制4 6 5 3 绝缘检测4 7 5 4 故障处理一4 8 5 5 仪表驱动一5 0 5 6 本章小结5 l 结论一5 2 参考文献5 3 致谢一5 5 附录a 信息处理电路板原理图5 6 附录b 高压控制电路板原理图一5 7 附录c 整车控制器电路板( 反面) 一5 8 附录d 整车控制器电路板( 正面) 一5 9 v 工程硕士学位论文 1 1 纯电动汽车发展现状 第1 章绪论 随着锂离子动力电池技术的快速发展，各大汽车公司、研究机构和高校纷纷 投入到纯电动汽车的研发中并推出自己的产品，纯电动汽车的产业化也被提上日 程。动力电池是纯电动汽车的核心部件，一直以来制约着纯电动汽车的发展，因 此动力电池技术的发展成为了实现纯电动汽车产业化的关键突破口。动力电池的 能量密度决定纯电动汽车续驶里程，而其价格和使用寿命则关系到纯电动车成本 1 1 1 。锂离子动力电池与铅酸蓄电池、n i m h 电池相比具有能量大、密度高等优点， 比能量可以达到1 6 0 w h k g ，是n i m h 电池的两倍，铅酸蓄电池的4 倍。但是与 汽油相比依然相差甚远，汽油的能量密度一般在1 2 万w h k g 2 1 。 在全世界范围内，日、美、法、德、英、韩及中国等国家的各大汽车集团一 直花费大量的资金用来研发纯电动汽车，经过近1 0 年的努力，各汽车集团的电动 汽车产品均已从实验室实验阶段过渡到商品试生产阶段【3 1 。挪威t h i n kg l o b a l 公 司研发制造的o x 纯电动车续驶里程达到1 8 0 k m ，百公里加速时间为8 5 s ，最高 车速1 3 0 k m h 。o x 电动车首次亮相于2 0 0 8 年2 月举行的日内瓦国际汽车展，作 为欧洲乃至美国都闻名的电动车提供商，t h i n kg l o b a l 已拥有1 7 年的电动车研发 和制造经验。其代表作t h i n kc i t y 就是一款完全靠电池驱动的微型车，至今已发 展到第5 代，它搭载钠氯化镍高能电池，一次性充满电( 8 小时左右) 可持续行 驶1 7 6 k m ，最高车速可达1 0 4 k m h 。美国的特斯拉( t e s l a ) 汽车公司推出的t e s l a r o a d s t e r 环保跑车百公里加速3 9 s ，最高车速2 1 7 k m h ，电池续航里程4 0 0 公里， 充电时间为3 个半小时。美国福特汽车公司推出的福克斯纯电动汽车搭载一台高 压电动机并且使用高容量的锂离子电池组，使用1 1 0 v 或2 2 0 v 家用电源充电，预 计在2 0 1 1 年投入市场。美国的克莱斯勒汽车公司研发制造的道奇e v 纯电动运动 型轿车续驶里程达到4 0 2 k m ，拥有一组6 4 k w h 的锂离子电池组，使用2 2 0 v 电源 4 小时可完成充电。日本三菱汽车公司推出的“i m e v 一纯电动汽车续驶里程为 1 6 0 k m ，最高车速为1 3 0 k m h ，拥有一组1 6 k w h 的锂离子电池组。日产公司“n u v u ” 纯电动汽车使用的是锂离子电池组，续驶里程1 2 5 k m ，最高车速为1 2 0 k m h 。德 国奔驰汽车公司推出的s m a r t 纯电动车续驶里程为1 1 5 k m ，搭载了一台3 0 k w 电 动机，使用高性能锂离子电池，最高车速达到1 1 3 k m h 。国内的比亚迪汽车公司 生产的e 6 纯电动汽车使用的是磷酸铁锂电池，车速超过1 6 0 k m h 。上汽集团研发 制造的上海牌纯电动轿车以荣威7 5 0 为车型平台，采用自主研发的电动系统，最 高车速为1 5 0 k m h ，续驶里程大于2 0 0 k m ，使用2 2 0 v 电源6 8 小时可完成充电。 纯电动汽车整车控制器开发 1 2 纯电动汽车关键技术研究现状 电动汽车一般都安装了电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) 4 1 ， 该系统负责监测动力电池的工作状态，整车可以根据当前的电池状态优化控制策 略，提高整车的动力性和燃油经济性，对电池组实施有效的管理，对于确保电动 汽车的安全、保持电池组性能、延长电池组寿命、提高电池使用效率有重要意义。 电池管理系统从结构上可分为集中式f 5 】和分布式【6 j 两种方案，分别适用于不同的 动力电池包结构形式。德国柏林大学研制的电池管理系统是目前国际上功能比较 全、技术含量比较高的电动汽车用电池管理系统，其主要功能包括：防止电池过 充过放、电池模块加平衡器实现均衡充电、电池组热管理、基于模糊专家系统的 剩余电量估计、用神经元网络辨识电池【7 1 。韩国大宇公司和韩国先进工业研究所 研制出了应用于d e v 5 5 电动汽车的电池管理系统，主要功能有：数据采集、优 化充电、s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 估计与显示、热管理、安全管理、能量管理、电 池管理和故障诊断功能，主要由电池控制单元、主充电器、辅助充电器、热管理 系统、s o c 计算、电池报警装置、模块传感器装置和安全模块构成【引。 电机是纯电动汽车的关键部件，目前电动汽车上常用的电动机有直流电动机、 永磁无刷电动机、感应电动机和开关磁阻电动机。其中直流电机结构简单，技术 成熟，具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性，但是价格高、体积和 质量大等方面的原因也限制了直流电机在电动汽车上的应用。 轻量化技术对提高纯电动汽车动力性能和续驶里程都有重要意义。纯电动汽 车由于布置了电池组，整车重量增加较多，轻量化问题更加突出。通过对整车实 际工况和使用要求的分析，对电池的电压、容量和驱动电机功率、转速、转矩等 参数进行优化，选择合理的电池和电机参数，从而减少电机、电池在整车重量中 所占的比重i 引。 充电设施的建设是纯电动汽车大规模商业化道路上一个不可避免的问题。电 动汽车要想实现产业化，必须要解决电池充电问题。充电设施的建设面临诸多影 响因素，如电动汽车的运行模式、动力电池特性、电动汽车充电量的总体需求、 充电时间、充电场所及其他环境条件等【1 0 j 。动力电池充放电工作效率受充电场所 及其他环境条件的影响，尤其受环境温度的影响。在常温下，电池充电接受能力 较强，随着环境温度降低，其充电接受能力逐渐降低，因此建设充电站时应尽可 能保证其环境不受人为温度条件的影响【1 1 j 。 整车控制器是纯电动汽车的关键部件，以往关于整车控制器的研究多是针对 混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。段建民1 1 2 】等人完成的串联式混合动力电 动汽车整车控制器的研究中，提出了基于s o c 的控制策略，设计了串联式混合动 力电动汽车整车控制器的软件系统，通过控制发动机发电机组的能量输出，调节 能量在蓄电池和电动机之间的合理分配，在保证续驶里程的同时，实现了较高的 2 工程硕卜学位论文 燃油经济性。严钦山i l3 】等人完成的混合动力电动汽车总成控制器的研究与开发 中，设计了c f a 6 4 7 0 eh e v 的c a n 总线通信网络，制定了整车的通讯协议，采 用p i d 控制算法，通过改变比例、积分和微分常数对电子节气门直流电机进行控 制。混合动力电动汽车整车控制器一个主要的功能是协调燃油发动机与其它动力 源之间的关系。即通过监测动力电池组的s o c 状态和当前车辆的行驶状况，确定 发动机、电机、动力电池等部件的工作方式。插入式混合动力电动汽车是混合动 力电动汽车一个分支，但它和传统的混合动力电动汽车又有一定的区别，文献 1 4 】 讨论了二者在动力电池部分的异同点。混合动力电动汽车综合了电动汽车和燃油 汽车的优点，同时也增加了系统的复杂程度，为了保证混合动力系统稳定持续的 工作，混合动力电动汽车的整车控制器会非常复杂【15 1 。 纯电动汽车高压系统对地绝缘电阻检测是整车控制器的关键部分，关于电动 汽车绝缘电阻检测的方法有很多，如李景新【l6 j 等人提出了一种电动汽车绝缘电阻 在线检测方法，通过测量电动汽车直流母线与电底盘之间的电压，计算得到系统 的绝缘电阻值，并对测量结果进行了误差分析。吴振军【1 1 7 】等人完成了电动汽车智 能在线绝缘检测装置研究，设计了一种电动汽车用新型绝缘检测装置，主要由采 样电路、信号传输和处理部分构成，不需要电压电流传感器，仅需要一个高压控 制开关。张锐【l 引等人提出了一种电动汽车绝缘性能的测量方法，通过使用大电阻 分压得到毫伏级的模拟信号，再使用c r y s t a l 公司的一种用于测量电压、电流、 功率和能量的集成芯片c s 5 4 6 0 a 检测这个模拟信号，从而检测出正负母线分别对 车体的电压。王锦忠i 1 9 完成了电动汽车绝缘性能检测装置的研制。提出了一种通 过测量电动汽车直流系统正负母线对车体的电压来实现绝缘电阻检测的新方法。 文献 2 0 中提出了一种蓄电池绝缘电阻的计算方法，并进行了推导，但是它进行 试验推导的许多假设条件是不能成立的，所以该标准在理论和实践上都存在着不 完善的地方。以上提出的方案多是基于电动汽车国家标准中推荐的绝缘电阻检测 方法，这种方法适用于静态电阻的测量，并不适用于动态电阻的监测。 1 3 研究目的及意义 随着能源危机、环境保护等问题的产生，新能源汽车将取代传统内燃机汽车， 成为交通运输的主要工具。其中纯电动汽车是国际公认的新能源汽车的最佳解决 方案，它最直接的优点就是零排放和较高的能量转换效率。整车控制器是纯电动 汽车的核心部件，是研发纯电动汽车的关键技术。其基本思想是：根据驾驶员的 意图( 加速踏板、制动踏板、档位) 和车辆的状态( s o c 、车速) ，依据适当的控 制规律，借助相应的开关器件和电子装置对车辆的各个系统进行协调控制，它在 纯电动汽车正常运行过程中，起着至关重要的作用。许多研究机构和汽车企业投 入了大量的人力和物力用于研发和完善纯电动汽车整车控制器。 纯电动汽车整车控制器开发 混合动力电动汽车是传统燃油汽车电驱动化过程中的过渡产品，在纯电动汽 车一时难以大规模市场化的情况下，混合动力电动汽车获得快速发展。不同的企 业和研究机构都开发出了针对混合动力电动汽车的整车控制器，纯电动汽车和混 合动力电动汽车在能量管理、高压系统管理、整车控制等方面有一定差别，整车 控制器作为纯电动汽车的核心部件，需要根据纯电动汽车的工作特性和操作特点 进行研究和开发。 1 4 主要研究内容 论文的主要研究工作包括两部分：整车控制器设计和控制逻辑研究。 整车控制器由预充电、泄荷、绝缘电阻检测、隔离电源、高压供电等模块组 成。在高压系统接通前，通过预充电模块对高压系统中的电机控制器进行预充电， 然后再接通高压回路。高压系统停止工作后，通过泄荷模块把高压系统中残留的 电荷释放掉。高压系统工作过程中，通过绝缘电阻检测模块实时检测高压系统对 地的绝缘状态，通过故障检测模块检测接触器等器件的工作状态，电流电压检测 模块检测工作过程中主回路的电流电压，得到的信号经m c u 处理后在仪表上显 示，m c u 通过继电器控制模块实现对固态继电器、接触器的控制。 在硬件开发基础上，结合纯电动汽车实际要求，分析纯电动汽车控制逻辑中 触发信号和控制动作之间的联系，研究其逻辑关系，制定合理的控制逻辑，满足 纯电动汽车正常工作需求。行车控制逻辑确定点火开关、前进倒车、加速、制动 等信号和电机驱动系统、制动系统之间的逻辑关系。高压回路控制逻辑要综合考 虑汽车行驶控制信号如点火开关信号、绝缘电阻检测、故障检测与诊断等信息， 确定高压回路的控制逻辑。 4 丁程硕十学位论文 第2 章纯电动汽车整车控制器设计需求分析 2 1 应用车型 本次设计应用于一辆纯电动化改造后的桑塔纳轿车。该车由动力电池组和电 机及其控制器组成高压驱动系统取代原车发动机驱动系统，并安装了车载充电机、 直流变换器等高压器件。高压系统基本信息如下： 动力电池组由9 6 块单体锂离子动力电池串联组成，电池型号t s l f p 4 0 a h a ，串联后动力电池组放电平台电压3 1 6 v 。 电机为浙江永康尤奈特b l t l 5 3 7 2 5 0 0 3 1 2 型直流无刷电机，额定功率 1 5 k w ，峰值功率3 7 k w ，t 作电压3 1 2 v 。 车载充电机为北京昂华a h e v c 4 0 0 0 8 型电动汽车充电机，输入电压2 2 0 1 0 a c 5 0 6 0 h z ，输出电压2 0 0 4 0 0 v d c ，输出电流0 - 8 a ，最大功率3 2 k w 。 直流变换器型号为北京昂华a h e v d 4 0 0 1 2 ，输入电压2 8 0 4 2 0 v d c ，输 出电压1 3 8 v d c ，输出功率6 0 0 w 。 a )b ) 图2 1 改造后的桑塔纳纯电动轿车 2 2 纯电动汽车电气系统基本构成 以改造后的桑塔纳纯电动轿车为基础分析纯电动汽车电气系统的基本结构。 在整车电气方面，纯电动汽车与传统燃油汽车在低压电子电器系统方面基本一致， 主要差别在于纯电动汽车的高压电气部分，纯电动汽车用高压电驱动系统取代了 传统燃油汽车的发动机驱动系统。通常高压系统主要由动力电池组( b m s ) 、断 路器、电机及其控制器、电动空调、直流变换器、整车控制器、车载充电机等7 个部分组成。桑塔纳纯电动汽车中没有安装电动空调j 为了提高整车控制器通用 性，在整车控制器开发时预留电动空调控制接口。高压系统基本结构如下： 纯电动汽车整车拧制器开发 一机械连援 高压电连接 图2 2 纯电动汽车高压系统结构简图 动力电池组是纯电动汽车的动力源。它由单体电池串、并联组成，从而具有 较大的电压和容量。动力电池组回路被中间放置的断路器分成两部分。断路器由 接触器和主熔断器两部分组成，断路器的主要功能是： ( 1 ) 在高压系统不工作时，接触器断开，动力电池组分为两个独立部分，动 力电池组不会有高压输出。这样可以确保高压系统不工作时外部高压电路不存在 高压。同时也可以避免一些极端情况下危险的发生，如高压系统检修时动力电池 组两端发生意外短接。 ( 2 ) 高压回路中如果出现瞬间峰值电流或者出现较长时间的大电流，主熔断 器将会熔断，从而切断电路，以保护高压器件。主熔断器布置在动力电池组内部， 可以避免动力电池组两端短路情况下主熔断器的功能失效。 车载充电机外接电源，给动力电池组充电，以补充纯电动汽车行驶所需能量。 直流变换器也简称d c d c ，它将动力电池组的直流高压转换成1 3 8 v 直流给辅助 蓄电池充电。传统的燃油车中，空调压缩机由发动机带动，在纯电动汽车中，需 采用电动空调。电机控制器和电机是一个整体，电机控制器直接处理油门踏板信 号，并根据相关指令控制电机运转，由电机驱动车轮。整车控制器管理高压系统 的各个用电设备，使之协调、安全工作。 2 3 纯电动汽车高压电气控制 纯电动汽车的动力电池组和各个高压用电设备以及接触器、高压继电器、熔 断器等部件组成高压电气回路，其中由动力电池组、断路器、两个主接触器和电 机控制器组成的回路称为高压主回路。如图2 3 所示，两个主接触器指接触器1 和主接触器2 。 6 t 程硕上学位论文 图2 3 纯电动汽车高压电气回路 在图2 3 中，接触器3 和熔断器1 组成断路器。根据电机控制器是否工作， 可以把高压回路基本工作状态分成两类。 1 电机控制器不工作 在这种状态下，接触器2 、3 保持接通状态。根据工作需要，可以接通高压继 电器1 ，d c d c 获得高压可以工作；或者接通高压继电器2 ，电动空调获得高压 可以工作。此外，还可以使用车载充电机对动力电池组进行充电。接触器1 保持 断开状态。 2 电机控制器工作 在这种状态下，接触器1 、2 、3 保持接通状态，d c d c 和电动空调工作方 式和电机控制器不工作时一致。此时，电机控制器获得高压可以工作。 接触器1 单独用来控制电机控制器的高压输入回路。接触器2 则用来控制所 有高压用电设备的高压接入。这样布置有以下两个优点： ( 1 ) 高压系统不工作的时候，高压用电设备与动力电池组没有任何直接的电 气连接。 ( 2 ) 高压主回路在断开的过程中，有可能会发生接触器1 触头焊死不能断开 的情况，此时可以通过断开接触器2 切断高压主回路，整车控制器不会失去对高 压主回路的控制，也就是说任何一个接触器断开，高压主回路都将被切断。 2 4 整车控制器功能分析 整车控制器是纯电动汽车的关键部件，通过整车控制器实现纯电动汽车高压 回路控制、高压系统安全管理和仪表驱动。高压回路控制主要指高压用电设备( 电 机控制器、电动空调等) 的高压输入回路控制，即通过控制接触器等开关器件或 电路实现高压输入回路的接通与断开。高压系统安全管理包括高压系统对地绝缘 状态和主控制器工作状态等。高压回路控制包括继电器控制模块、预充电模块、 纯电动汽车整乍摔制器开发 泄荷模块；安全管理包括绝缘电阻检测模块、电流电压检测模块、故障检测模块； 仪表驱动部分处理相关信息驱动仪表显示。各部分基本功能如下： 1 高压回路控制部分 ( 1 ) 高压供断电控制。接触器组控制高压主回路的通断，电池组内部串联一 个接触器，电池组正负极输出端各由一个主接触器控制，由这三个接触器实现高 压主回路的通断。通用继电器组中的高压继电器控制高压支路通断。直流变换器、 车载充电机、电动空调等为高压支路，通过高压继电器控制这些器件高压输入端 的通断。 ( 2 ) 电机控制器预充电电路，在主接触器接通之前，通过预充电回路对电机 控制器进行预充电。 ( 3 ) 主回路泄荷保护电路，高压主回路断开后，通过泄荷保护电路及时释放 掉高压回路上残余电荷( 主要是电机控制器中大电容存储的电荷) 。 2 安全管理部分 ( 1 ) 绝缘电阻检测模块，实时监测高压回路相对于车身的绝缘状态。 ( 2 ) 主回路电流、电压检测模块，实时检测流经主回路的电流以及主回路电 压。 ( 3 ) 故障检测模块，实时检测接触器和熔断器是否正常工作。对于熔断器检 测其是否熔断，对于接触器检测其是否按着控制器发出的指令吸合或者断开。 3 仪表驱动部分 仪表驱动电路将单片机送出的信号处理成仪表能够识别的形式。仪表显示的 信息有车速、s o c 、主回路电流、电压。 4 整车控制器采用双层电路板设计，即高压控制电路板和信息处理电路板。高 压控制电路板包括预充电模块、泄荷模块、电流电压检测模块、故障检测模块、 绝缘电阻检测模块、继电器控制模块等；信息处理电路板包括单片机及其外围电 路、仪表驱动电路等。此外在高压控制电路板上设计了隔离电源模块，为预充电 模块、绝缘电阻检测模块和故障检测模块提供相互独立的工作电压。 整车控制器v c u ( v e h i c l ec o n t r o lu n i t ) 其基本结构如下图： 8 t 程硕十学位论文 2 5 本章小结 图2 4 整车控制器基本结构图 本章介绍了整车控制器的应用车型，并以此车型为基础分析了纯电动汽车电 气系统基本结构。为便于整车控制器功能分析，通过对高压系统的简化得到了纯 电动汽车高压电气回路。分析了整车控制器的基本功能，分为3 个部分：高压回 路控制、安全管理、仪表驱动。 9 纯电动汽下整下 窄制器开发 第3 章纯电动汽车整车控制器硬件开发 本章主要介绍主控制器及其外围电路、隔离电源模块、预充电模块、泄荷模 块、故障检测模块、电流电压检测模块、仪表驱动模块。绝缘电阻检测模块将在 第4 章介绍。 3 1 主控制器及其外围电路 t 程硕卜学位论文 5 v 电压，a d 转换模块参考电压电路对5 v 电压进行调理，为a d 转换模块提供 稳定、精确的4 5 v 参考电压。 3 2 隔离电源模块 在纯电动汽车整车控制器中，预充电模块、故障检测模块和绝缘电阻检测模 块需要不同电压等级的低压电源，每个模块与高压系统直接连接，它们之间相互 独立，这就要求每个模块的电源也必须相互独立，否则会造成各部分绝缘失效。 隔离电源模块的设计采用单端正激式开关电源技术。开关电源被誉为高效节 能电源，它具有高效率、小体积和轻量化三大优点。开关电源的高频变换电路形 式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式【2 1 1 。 开关电源的基本原理是将直流电压，通过自激励震荡或者它激励间歇震荡形 成高频方波，通过变压器耦合到次级，整流后达到各种所需的直流电压，如图3 2 所示。 卜 wa cbd c1 ( a )( b ) ( c ) 图3 2 开关电源电压变换过程 单端正激式开关电源的基本拓扑如图3 3 所示，当开关管q 导通时，初级绕 组。、退磁绕组，及所有次级绕组的同名端相对于异名端为正。二极管d ，反向 偏置，电流及能量流入。的同名端。整流二极管d ：正向偏置，电流和能量从次 级绕组。的同名端流出到l c 滤波器和负载。当开关管q 截止时，励磁电感的电 流使的电压反向，次级的同名端相对于异名端变负，整流二极管d ，被反向偏 置。输出电感三中的电流下降，由于电感电流不能突变，所以电感三的极性反向 以尽量保持电流不变。电感前端的电压将变的很负，但被续流二极管d 钳位于比 输出地低一个二极管正向压降。电感电流此时继续沿同一方向流动，从其输出端 流出，经过负载( 部分经过滤波电容c i ) 和续流二极管n 返回到电感输入端。另 一方面，开关管q 截止后，初级绕组中的励磁电流必须继续流动，此时初级绕组 中的电流使所有绕组的极性相反。退磁绕组，同名端相对于异名端为负，二极管 d ，将，同名端的电位钳位于比直流电源地低一个二极管正向压降。励磁电流从 。转移到，继续流动，经电源和二极管d ，返回到，励磁电流斜坡下降直至零。 t 一1 l n u 儿 一 n儿一 n儿一 n儿 一 n什儿一 n砌一畦 纯电动汽乍整车控制器开发 d 3 ，： r p 【 m ： f n k ) 时绝缘电阻阻值为： 耻牮心旧) 2 ， 图4 1 所示模型是针对动力蓄电池两端同时绝缘失效的情况进行讨论的，对 于单端绝缘失效以上方法同样适用。单端失效时，如果k k ，在极限情况下， 公式( 4 1 ) 可以简化为： 足= 铲r ( 4 3 ) 以上是国家标准中针对动力蓄电池给出的绝缘电阻检测方法，检测时断开了 动力蓄电池与其他高压器件的连接，仅检测动力蓄电池对地绝缘状态。如果检测 时动力蓄电池接入高压系统，则检测的是高压系统对地的绝缘状态。电动汽车在 运行过程中，绝缘电阻检测模块检测的是连接了动力蓄电池的高压系统对地绝缘 电阻。 以上给出的绝缘电阻检测方法只讨论了动力蓄电池组输出端的单端失效和两 端同时失效两种情况，并没有讨论动力蓄电池组内部绝缘失效等情况下，绝缘电 阻的检测方法。 4 1 2 绝缘失效情况 高压系统的绝缘失效情况有很多种，参照图4 3 ，按绝缘失效点的多少可以 分为单点绝缘失效和多点绝缘失效。 1 单点绝缘失效： o 高压正母线上单点绝缘失效； o 高压负母线上单点绝缘失效； o 动力电池组内部单点绝缘失效。 t 程颅f j 学位论文 2 多点绝缘失效： 高压正母线上多点绝缘失效； 高压负母线上多点绝缘失效； 电池组内部多点绝缘失效； 高压母线( 正、负) 同时绝缘失效； 电池组内和高压负母线同时绝缘失效； 电池组内和高压正母线同时绝缘失效； 电池组内和高压母线上同时绝缘失效。 图4 3 绝缘失效情况分析示意图 以下将对每一种绝缘失效情况进行分析，找出每种情况下高压系统与地某一 点短路时，高压系统中产生最大泄露电流的位置，那么此电流所对应的电阻就是 绝缘电阻。 1 高压正或负母线上单点绝缘失效 k 母线 图4 4 高压正母线上单真绝缘失效 在图4 4 中，圪是动力电池组端电压，r 。是正母线对地绝缘电阻。可以看到， 当只有高压正母线一点绝缘失效时，高压负母线与地短接会产生最大泄露电流。 泄露电流l 为： ， 矿 j 耻慈 ( 4 。) ，k 在此情况下，r 。即为高压系统对地的绝缘电阻。 同理可以确定高压负母线上单点绝缘失效时，高压正母线与地短接会产生最 大的泄露电流。 纯电动汽下整中拧制器开发 2 动力电池组内部单点绝缘失效 负母乒一 - 瓦一一中卜- _ 可杠q 母线 足 上 图4 5 动力电池组内部单点绝缘失效 图4 5 中，电阻冗位于地和动力电池组之间，其连接到动力电池组的一端i 位于动力电池组内部的任一位置。从连接点i 处把电池分为两部分，一部分电压 为k ，另一部分电压为吒，所以有以下关系式： k + k = v b ( 4 5 ) 在当前绝缘失效的情况下，当高压正母线与地短接时，产生的泄露电流厶为： 和鼍 ( 4 6 ) 此时，正母线与i 点之间的任何一点与地短接所产生的泄露电流都会小于正母线 与地短接产生的泄露电流。当高压负母线与地短接时，产生的泄露电流乇为： 。 i i 2 = v 托2 ( 4 7 ) 同理也会是在高压负母线与地之间短接产生最大的泄露电流。 因此，最大的泄露电流是l i 。和乇中较大的一个，则对应最危险的情况发生于 高压正母线或负母线与地短接，足即为高压系统对地的绝缘电阻。 3 高压正或负母线上多点绝缘失效 负母线d j 卜一排 窒 母线 图4 6 高压正母线上多点绝缘失效 如图4 6 所示，将r ，到r ，并联成一个电阻接入正母线和地之间，对电路没 有影响，所以正或负母线上多点绝缘失效情况可以变换成单点绝缘失效情况来分 析。 4 电池组内部多点绝缘失效 翮# 书- 1 3 2 t 程硕十学位论文 图4 7 电池组内郡多点绝缘失效 图4 7 中，b 、e 、f 为电池组内部任意三位置，其对应的接地电阻为冠、r i ，、 足，。在高压系统没有与地短接的情况下，接地电阻r i l 、r i ：、r i ，与动力电池组已 经形成了回路。电路较为复杂，为了分析最大泄露电流发生的位最，分为两种情 况进行讨论。第一种情况是比较a 、c 、g 三个位置与地短接产生的泄露电流大小。 第二种情况是比较a 、e 、g 三个位置与地短接产生的泄露电流的大小。 在第一种情况下，a 、g 、c 三个位置分别代表了高压正、负母线和电池组内 某一位置，其中位置c 是不同于b 、e 、f 的另一位置。对a 、g 、c 三个位置分别 讨论如下。 ( 1 ) a 点与地短接，此时可以把图4 7 所示电路等效成以a 、d 两点为输出端的 有源二端网络，等效电源电动势是，等效内阻r 。是e 。、r ：、r ，的并联值。则 a 点与地短接产生的泄露电流为 厶= 鲁 ( 4 8 ) ( 2 ) g 点与地短接，此时可以把图4 7 所示电路等效成以g 、d 两点为输出端的 有源二端网络，等效电源电动势是，等效内阻r 。是足。、r i 2 、r i ，的并联值。则 g 点与地短接产生的泄露电流为 t = 每 ( 4 9 ) ( 3 ) c 点与地短接，此时可以把图4 7 所示电路等效成以c 、d 两点为输出端的 有源二端网络，等效电源电动势是，等效内阻r 。是足。、r ：、足，的并联值。则 g 点与地短接产生的泄露电流为 l = 鼍 ( 4